(57)【要約】  本発明は、スパッタターゲット表面に高密度のプラズマを効率よく発生させ、高速度で成膜できるスパッタ装置を提供することを目的とする。併せて、構造が簡単でスパッタターゲットの脱着や保守点検などが容易な大面積スパッタ装置及びプラズマ処理装置を提供することを目的とする。本発明に係るスパッタ装置は、真空容器の一部に誘導結合型アンテナ導体板を装着するスパッタ装置において、前記誘導結合型アンテナ導体のプラズマ形成空間側にスパッタターゲット板を取り付け、前記アンテナ導体の一方の端部を高周波電源に接続し、対向する他方の端部をコンデンサを介して接地する。また、複数のアンテナ導体を併設して大面積スパッタ装置を構成する。
2011111712.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
a)真空容器と、
b)前記真空容器の天板に設けられた開口部を閉塞するように設置された導体板であって、前記真空容器内側の表面にスパッタターゲット板を取り付け可能な高周波アンテナ導体板と、
c)前記真空容器内に設置された基板支持台と、
d)前記真空容器内のガスを排気する排気手段と、
e)前記真空容器内へプロセスガスを導入するガス導入手段と
を備えることを特徴とするスパッタ装置。
【請求項２】
前記高周波アンテナ導体板と前記スパッタターゲット板が一体化されていることを特徴とする請求項１に記載のスパッタ装置。
【請求項３】
前記高周波アンテナ導体板のスパッタターゲット板が取り付け可能な面以外の表面が高透磁率膜で被覆されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスパッタ装置。
【請求項４】
前記高周波アンテナ導体板の大気側表面に冷却手段を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のスパッタ装置。
【請求項５】
前記高周波アンテナ導体板の長手方向の長さが、給電する高周波電力の周波数に対応する波長の1/4以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のスパッタ装置。
【請求項６】
前記天板に所定の間隔で複数個の前記開口部が設けられ、該複数の開口部を閉塞するように前記高周波アンテナ導体板が設置され、各高周波アンテナ導体板に高周波電力及びバイアス電圧が給電されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のスパッタ装置。
【請求項７】
前記高周波アンテナ導体板に整合器を介して高周波電力が給電され、且つコイルを介してバイアス電圧が印加される構成であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のスパッタ装置。
【請求項８】
前記バイアス電圧が周波数300kHz以下の交流電圧を半波整流若しくは両波整流した負の脈流電圧、負の三角波電圧、又は負の矩形波電圧（パルス電圧を含む）であることを特徴とする請求項７に記載のスパッタ装置。
【請求項９】
前記バイアス電圧が制御可能であることを特徴とする請求項７又は８に記載のスパッタ装置。
【請求項１０】
前記各高周波アンテナ導体板の給電側は整合器を介して高周波電源に接続され、前記各高周波アンテナ導体板の接地側はコンデンサを介して接地されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のスパッタ装置。
【請求項１１】
前記各高周波アンテナ導体板に給電する高周波電力を制御可能であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のスパッタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波誘導電磁界によりプラズマを発生させる板状誘導結合型アンテナを用いたスパッタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池、ディスプレイ等の大型化に伴って、プラズマを用いた基板の表面処理にも大面積で均一性に優れ、且つ処理速度の速い安価なプラズマ処理装置が要求されている。現在、スパッタリング処理を行うためのプラズマ処理装置としては、DC放電によるプラズマ、平行平板型高周波プラズマ、ECRプラズマ、ヘリコン波プラズマ等を利用したプラズマ処理装置が開発され、実用化されている。【０００３】
従来のスパッタ装置については、スパッタリング速度を大きくするために磁場を用いたマグネトロンスパッタ装置が一般的である。大きな基板の場合、スパッタリング速度を大きくするためには強磁場が必要であるが、膜厚の均一性を考慮すると磁場強度を弱くする必要があり、相反する両方の条件を満たさなければならなかった。また、従来のマグネトロンスパッタ装置においては、マグネトロンにより形成されるトンネル状の磁場中でターゲットの各部から飛散するスパッタ粒子の量を均一にすることが困難であった。【０００４】
特許文献１には、大面積マグネトロンスパッタ装置に関する発明が開示されている。当該発明に係るマグネトロンスパッタ装置は、内部に成膜すべき基板を配置した真空容器と、基板と対向する位置に配置されたターゲット板と、ターゲット板を取付けたバッキングプレートと、該バッキングプレート上で基板及びターゲット板と平行に移動可能に支持され、かつその移動方向と直交する方向に沿って各々分割形成された磁石部と、該各々の磁石部を移動させる駆動機構とを有する。【０００５】
これらのマグネトロンスパッタ装置においては、基板よりも一回り大きい面積のターゲット板を必要とし、ターゲット材料によっては極めて高価である。また、スパッタリング速度を高めるため、ターゲット板と同等以上の面積を有する磁場発生手段、或いは磁場発生手段を移動させて均一化を図る移動手段等が必要であった。また、バッキングプレートを大面積化すると、大気圧による応力がそれだけ大きくなるので、変形量を減らすためにバッキングプレートをより肉厚にしなければならず、重量が極めて大きくなって、その取扱いが困難となる問題がある。【０００６】
一方、特許文献２には、箱型対向式スパッタ部を備えた対向ターゲット式スパッタ装置に関する技術が開示されている。本スパッタ装置は箱型構成体の対向する2側面にターゲット板を取り付ける構成を有する。このスパッタ装置では、箱型構成体の底面部とターゲットを取り付けた2側面の間に、該2側面側が負である直流電圧を印加することにより、放電プラズマを発生させ、それによりターゲットをスパッタさせ、箱型構成体の底面部に設置された基板表面に成膜する。本スパッタ装置においても、ターゲット板に垂直な磁力線を発生する磁場発生手段が用いられる。【０００７】
大面積の基板をカバーするためにその対向間隔を広げるとプラズマ拘束用の対向方向の磁界が低下して対向スパッタリングが機能しなくなるので、その間隔は高々20cm程度に限定される。従って、基板を静止した状態で成膜する場合はこれ以下の大きさの基板に限定される課題がある。また、基板を移動しながら成膜するインライン方式であれば、ターゲット板の対向方向に移送し、これと直角方向のターゲット長を広げることで大面積基板に対応することになる。この場合はターゲットが非常に細長い形状となり、ターゲットの均一な冷却が困難となり、取扱い性が悪い等の課題があった。更に、スパッタされたターゲット原子はターゲット板を含め、箱型構成体の内壁面に再付着、或いは堆積するため、基板表面の成膜に有効に活用されるスパッタ原子の割合は1/3〜1/4に過ぎないという課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平9-031646号
【特許文献２】国際公開WO2006/070623号
【特許文献３】国際公開WO2009/142016号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、スパッタターゲット表面に高密度のプラズマを効率よく発生させ、スパッタリング速度の速いスパッタ装置を提供することである。また、構造が簡単でスパッタターゲットの脱着や保守点検などが容易な大面積スパッタ装置及びプラズマ処理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明者らは、真空容器の一部を兼ねる開口部を有するフランジに、該開口部を覆うように平板状の高周波アンテナ導体を設け、該高周波アンテナ導体に高周波電流を流すことにより放電プラズマを発生させる誘導結合型プラズマ（ICP）発生装置及びプラズマ処理装置を開発してきた（特許文献３を参照）。本発明は、高密度プラズマを発生することができる前記誘導結合型プラズマ発生装置を開発する過程で成されたものである。【００１１】
本願は、上記課題を解決するために成されたもので下記の発明を提供する。
（１）a)真空容器と、
b)前記真空容器の天板に設けられた開口部を閉塞するように設置された導体板であって、前記真空容器内側の表面にスパッタターゲット板を取り付け可能な高周波アンテナ導体板（以下、ICPアンテナ導体と記す）と、
c)前記真空容器内に設置された基板支持台と、
d)前記真空容器内のガスを排気する排気手段と、
e)前記真空容器内へプロセスガスを導入するガス導入手段と
を備えることを特徴とするスパッタ装置。
（２）前記ICPアンテナ導体と前記スパッタターゲット板が一体化されていることを特徴とする上記（１）に記載のスパッタ装置。ここで、前記ICPアンテナ導体と前記スパッタターゲット板の一体化は、例えばネジや接着剤を用いて行うことができる。前記ネジは前記スパッタターゲット板と同じ材料から成ることが望ましい。また、前記接着剤は、150℃以上の耐熱性を有するものであることが望ましい。
（３）前記ICPアンテナ導体のスパッタターゲット板が取り付け可能な面以外の表面が、該ICPアンテナ導体の材料よりも透磁率が高い材料から成る高透磁率膜で被覆されていることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のスパッタ装置。
（４）前記ICPアンテナ導体の大気側表面に冷却手段を備えていることを特徴とする上記（１）から（３）のいずれかに記載のスパッタ装置。
（５）前記ICPアンテナ導体の長手方向の長さが、該ICPアンテナ導体に給電する高周波電力の周波数に対応する波長の1/4以下であることを特徴とする上記（１）から（４）のいずれかに記載のスパッタ装置。
（６）前記天板に所定の間隔で複数個の前記開口部が設けられ、該複数の開口部を閉塞するように前記ICPアンテナ導体が設置され、各ICPアンテナ導体に高周波電力が給電されることを特徴とする上記（１）から（５）のいずれかに記載のスパッタ装置。
（７）前記ICPアンテナ導体に整合器を介して高周波電力が給電され、且つコイルを介してバイアス電圧が印加される構成であることを特徴とする上記（１）から（６）のいずれかに記載のスパッタ装置。
（８）前記バイアス電圧が周波数300kHz以下の交流電圧を半波整流若しくは両波整流した負の脈流電圧、負の三角波電圧、又は負の矩形波電圧（パルス電圧を含む）であることを特徴とする上記（７）に記載のスパッタ装置。
（９）前記バイアス電圧が制御可能であることを特徴とする上記（７）又は（８）に記載のスパッタ装置。
（１０）前記各ICPアンテナ導体の給電側は整合器を介して高周波電源に接続され、前記各ICPアンテナ導体板の接地側はコンデンサを介して接地されていることを特徴とする上記（１）から（９）のいずれかに記載のスパッタ装置。
（１１）前記各ICPアンテナ導体に給電する高周波電力が制御可能であることを特徴とする上記（１）から（１０）のいずれかに記載のスパッタ装置。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、スパッタターゲット板の表面に高密度のプラズマを効率よく発生させることができそれによりスパッタリング速度が速いスパッタ装置を提供することができる。また、構造が簡単で、スパッタターゲットの脱着や保守点検などが容易である。更に、複数個の前記ICPアンテナ導体を配置することによって、大面積、且つ均一性の制御が可能なスパッタ装置及びプラズマ処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るスパッタ装置の第１実施例を示す概略縦断面図である。
【図２】本発明に係るスパッタ装置において用いるICPアンテナ導体の一例を示す概略縦断面図である。
【図３】第１実施例のスパッタ装置のパワー効率特性を示すグラフである。
【図４】第１実施例のスパッタ装置で生成される高周波電力とプラズマ密度の関係を示すグラフである。
【図５】第１実施例におけるバイアス電圧とスパッタ膜の厚さの関係を示すグラフである。
【図６】ICPアンテナ導体を複数個配置した第２実施例を示す概略縦断面図である。
【図７】複数のICPアンテナ導体への給電方法及び制御方法を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明に係るスパッタ装置の一実施形態につき、要部構成の概略縦断面図を図１に示す。本実施形態のスパッタ装置１は、放電プラズマを形成する真空容器１０と、前記真空容器の上部を閉塞する天板１１と、前記天板に設けた開口部を閉塞するように設置されたICPアンテナ導体１２と、前記真空容器の内部空間２３に設置された基板支持台１７と、前記真空容器内のガスを真空ポンプ（図示せず）により排気するための排気口（排気手段）２８と、前記真空容器内部空間２３へプロセスガスを導入するガス導入口（ガス導入手段）２７とを具備する。ICPアンテナ導体１２の材料には、非磁性であって電気伝導性及び熱伝導性に優れた銅又はアルミニウムを用いることが好ましい。ICPアンテナ導体１２の形状は、典型的には長方形であるが、円形や楕円形等、他の形状のものを用いることもできる。前記ICPアンテナ導体１２の真空容器内側表面にはスパッタターゲット板１３が取り付けられ（接合され）る。前記ICPアンテナ導体１２の端部は整合器１９を介して高周波電源１８に接続され、対向する端部はコンデンサ２０を介して接地される。
【００１５】
本実施形態のスパッタ装置１は、前記ICPアンテナ導体１２に高周波電流を流すことによって発生する誘導結合型放電プラズマ（ICP）と容量結合型放電プラズマ（CCP）の相乗効果を活用している。これにより、前記ICPアンテナ導体１２に取り付けられたスパッタターゲット板１３の表面近傍に5×1011cm-3程度の高密度プラズマを発生させることができる特長がある。
【００１６】
前記ICPアンテナ導体１２の一方の端部は整合器１９を介して高周波電源１８に接続し、他方の端部をコンデンサ２０を介して接地することにより、前記ICPアンテナ導体１２は電気的にフロートする。従って、前記ICPアンテナ導体１２に印加するバイアス電圧を制御することによってスパッタターゲット板１３に入射するイオン電流とそのエネルギーを制御することができ、スパッタターゲット板１３表面の各部分からスパッタされるスパッタ量をほぼ均一にすることができる。
【００１７】
また、スパッタ装置１には、前記ICPアンテナ導体１２に負のバイアス電圧、例えば交流電圧を半波整流又は両波整流した負の脈流電圧、負の三角波電圧、或いは負のパルス電圧をコイル２１を介して印加するバイアス電源２２を設けることができる。これら負のバイアス電圧の繰り返し周波数は300kHz以下、好ましくは10kHz〜100kHzである。負のバイアス電圧を制御することによって、スパッタターゲット板１３に入射するイオン量とそのエネルギーを制御することができ、スパッタリング速度を制御することができる。更に重要なことは、前記繰り返し周波数が10kHz以上の脈流電圧、或いはパルス電圧を印加することによって、導電性ターゲット材のみならず誘電体ターゲット材のスパッタリングが可能になることである。
【００１８】
前記スパッタターゲット板１３は前記ICPアンテナ導体１２に、例えばネジ（ビス）等で取り付けたり、接着剤等を用いて接合することができる。これにより、同一ICPアンテナ導体を用いて、スパッタターゲット板１３を交換するだけで任意の材料をスパッタリングすることができ、ターゲットの脱着、保守点検が極めて容易となる。ネジを用いる場合には、スパッタターゲット板１３と同じ材料から成るものを用いることが望ましい。また、接着剤を用いる場合には、150℃以上の耐熱性を有するものを用いることが望ましい。
【００１９】
また、図２に示すように、ICPアンテナ導体１２の、スパッタターゲット板１３が接合されている面（ターゲット板接合面）以外の表面を高透磁率膜２４で被覆することによって、ターゲット板接合面以外の表面の高周波に対するインピーダンスを大きくすることができる。このような構成とすることによって高周波電流をターゲット板接合面側に集中することができ、前記スパッタターゲット板１３の表面近傍に、より高密度の放電プラズマを発生させることができ、スパッタリング速度を速くすることができる。高透磁率膜２４の材料には、例えば鉄、コバルト、ニッケル又はそれらの合金を用いることができる。
【００２０】
本発明に係るスパッタ装置の他の実施形態を図６に示す。本実施形態のスパッタ装置２は、真空容器１０の一部、例えば、天板１１に一定間隔で複数の開口部を設け、スパッタターゲット板１３を接合したICPアンテナ導体１２を各開口部に装着したものである。その他の構成は前述のスパッタ装置１と同様である。なお、図６に示した縦断面は図１の二点鎖線Ａ−Ａ’で切断した縦断面に相当し、図１と同方向の縦断面では、本実施形態のスパッタ装置２と前述のスパッタ装置１の構成は同じである。本実施形態のスパッタ装置２は、各ICPアンテナ導体１２に高周波電力を給電することにより、前記基板支持台１７に載置した大面積基板１６の表面にスパッタ膜を形成することができる。また、各ICPアンテナ導体１２に給電するバイアス電圧又は高周波電力を制御することによって均一なスパッタリングができ、大面積に亘って均一な成膜ができる。
【００２１】
複数のICPアンテナを設置する場合、特定のICPアンテナに材質の異なるスパッタターゲット板を接合することによって、複数の元素を含む混成薄膜、化合物薄膜、異種接合薄膜等を任意に形成することができる。
【００２２】
本願の板状ICPアンテナ導体の場合、高周波電流は表皮効果によりICPアンテナ導体の断面中央部よりも両側面部に多く流れる。従って前記複数個のICPアンテナ導体を併設する場合、前記ICPアンテナ導体の幅（Ｗ）と隣接するICPアンテナ導体の間隔（Ｌ）はほぼ同程度であることが好ましい。また、基板表面に均一なスパッタリング膜を形成するためには、前記スパッタターゲット板と前記基板との間隔（Ｈ）と、隣接するICPアンテナ導体の間隔（Ｌ）の比（Ｈ／Ｌ）が１〜３であることが望ましい。
【実施例１】
【００２３】
本発明に係るスパッタ装置の第１実施例の構成を、図１を用いて説明する。本実施例で用いたICPアンテナ導体１２は幅5cm、長さ50cmの長方形のアルミニウム板である。該ICPアンテナ導体１２は真空容器の内部空間（プラズマ形成空間）２３側の面が平面状であり、その面にニッケル製のスパッタターゲット板１３がニッケル製ビスで接合されている。前記ICPアンテナ導体１２の大気側の面には凹状の切欠部２５を設け、周辺部の肉厚の部分に冷却水路２６を設けている。【００２４】
真空容器の天板１１の開口部に真空シール部材１５、絶縁体枠体１４を介挿して前記ICPアンテナ導体１２を装着した。前記絶縁体枠体１４にはピーク（PEEK：ポリエーテルエーテルケトン）材を用いた。ICPアンテナ導体１２の長辺方向の一端は銅平板を用いて整合器を介して高周波電源１８に接続した。一方、長辺方向の他端は容量が可変であるコンデンサ２０を介して接地電位にある前記整合器１９のケースに接続した。また、前記ICPアンテナ導体１２はコイル２１を介してバイアス電源２２に接続し、バイアス電圧を制御することによってスパッタリング速度を制御した。【００２５】
第１実施例のスパッタ装置を用いて以下の実験を行った。先ず、真空容器内を1×10-3Pa以下まで排気した後、真空容器１０内にアルゴンガスを導入し、ガス圧を2〜10Paに調整した。ICPアンテナ導体１２に周波数13.56MHz、出力200〜800Wの高周波電力を給電して真空容器１０内にプラズマを発生させた。【００２６】
本実施例で用いたICPアンテナ導体１２は板状アンテナであって極めて低インピーダンスであり、大きな高周波電流を流すことができる特長がある。図３に示すように85％程度のパワー効率が得られ、ICPアンテナ導体１２の表面近傍に高密度のプラズマを生成することができる。【００２７】
プラズマ形成空間２３に発生したプラズマの電子密度を真空容器内に設置されたラングミュアプローブ（図示せず）を用いて測定した。測定結果を図４に示す。測定結果はICPアンテナ導体１２の表面から5.4cm離れたプラズマ形成空間２３の電子密度である。高周波電力が800Wのとき、6×1011/cm3程度の高い電子密度が得られた。従来の容量結合方式（CCP方式）に比較して約1桁高い電子密度である。【００２８】
バイアス電圧には、50kHzの交流電圧を半波整流した負の脈流電圧を印加した。ニッケル製のスパッタターゲット板１３から7cm下方に載置したガラス基板１６上に成膜したニッケル膜の厚さとバイアス電圧の波高値との関係を図５に示す。同図から分かるように、バイアス電圧の増加とともに成膜速度が急増し、バイアス電圧の制御によって成膜速度を任意に制御できる。バイアス電圧を400V以上に上げれば、バイアス電圧によるグロー放電が重畳されてプラズマ密度が上昇し、スパッタリング速度が著しく増加することが明らかになった。【００２９】
本発明によれば、前記コンデンサ２０の容量を調整することによって、前記ICPアンテナ導体１２の両端の高周波電圧をほぼ同一にすることができ、ICPアンテナ導体１２の長手方向にほぼ均一なプラズマを生成できる。本実施例では、ニッケル製のスパッタターゲット板を用いたが、それに限定されるものではない。また、前記脈流バイアス電源の周波数を10kHz以上とすることによって、誘電体ターゲット材料のスパッタリングが可能になる。
【実施例２】
【００３０】
本発明に係るスパッタ装置の第２実施例の構成を、図６及び図７を用いて説明する。本実施例は、図６に示した前述のスパッタ装置２において、第１実施例で用いたものと同寸法のICPアンテナ導体１２を12cm間隔で5個、ほぼ並列に配置したものである。前記ICPアンテナ導体１２と基板１６の間隔は15cmとした。【００３１】
図７は5個のICPアンテナ導体への給電方法及び制御方法を示す概念図である。各ICPアンテナ導体（Ａ１〜Ａ５）の給電側はコンデンサ（Ｃ１〜Ｃ５）及び整合器１９１〜１９５を介して高周波電源１８に接続され、各ICPアンテナ導体Ａ１〜Ａ５の接地側は可変コンデンサ（ＶＣ１〜ＶＣ５）を介して接地されている。また、各ICPアンテナ導体Ａ１〜Ａ５はコイル（Ｌ１〜Ｌ５）を介してバイアス電源（Ｂ１〜Ｂ５）に接続されている。本実施例では、１台の高周波電源によって各アンテナ導体Ａ１〜Ａ５に整合器を介して給電したが、複数の高周波電源を使用することができ、本実施例に限定されるものではない。【００３２】
この様な構成とすることによって、各ICPアンテナ導体Ａ１〜Ａ５のインピーダンス及びバイアス電圧を調整、制御することが可能になる。本実施例では、周波数13.56MHz、出力500〜1500Wの高周波電力及び波高値300V〜600V、周波数50kHzの負の脈流電圧を印加した。各ICPアンテナ導体のバイアス電圧を調整することによって50cm角の基板表面に厚さ精度±5％以下のニッケル薄膜を形成することができた。【００３３】
本実施例で明らかになったことは、各ICPアンテナ導体Ａ１〜Ａ５のインピーダンスを予め調整していても成膜速度は必ずしも均一にならず、バイアス電圧の調整による補正が必要であることである。ICPアンテナ導体Ａ１〜Ａ５に印加するバイアス電圧を個々に制御することによって、大面積にわたって成膜速度を均一にすることが可能になった。
【符号の説明】
【００３４】
１０…真空容器
１１…天板
１２、Ａ１〜Ａ５…ICPアンテナ導体
１３…スパッタターゲット板
１４…絶縁体枠体
１５…真空シール部材
１６…基板
１７…基板支持台
１８…高周波電源
１９…整合器
２０…コンデンサ
２１…コイル
２２…バイアス電源
２３…真空容器の内部空間（プラズマ形成空間）
２４…高透磁性膜
２６…冷却水路
２７…ガス導入口
２８…排気口
【図１】
2011111712.tif 000003
【図２】
2011111712.tif 000004
【図３】
2011111712.tif 000005
【図４】
2011111712.tif 000006
【図５】
2011111712.tif 000007
【図６】
2011111712.tif 000008
【図７】
2011111712.tif 000009
【国際調査報告】
2011111712.tif 000010
2011111712.tif 000011
2011111712.tif 000012
2011111712.tif 000013
2011111712.tif 000014
2011111712.tif 000015
2011111712.tif 000016